DE2405036A1

DE2405036A1 - Akustische vorrichtungen aus amorphen metallegierungen

Info

Publication number: DE2405036A1
Application number: DE19742405036
Authority: DE
Inventors: Michel Dutoit
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1973-02-05
Filing date: 1974-02-02
Publication date: 1974-08-08
Also published as: JPS49112551A; GB1452541A; US3838365A; NL7401006A; JPS5524727B2

Description

Die Erfindung betrifft Materialien, die geringe Schallgeschwindigkeit und geringe Dämpfung bei hohen Frequenzen aufweisen, sowie ihre Verwendung in akustischen Vorrichtungen, bei denen es auf diese besonderen Eigenschaften ankommt, Die Erfindung betrifft die Verwendung von amorphen Metallen in akustischen Vorrichtungen, insbesondere Wellenführungsvorrichtungen, wie Draht- und Streifenverzögerungsleitungen.

Eine akustische Verzögerungsleitung besitzt üblicherweise ein Verzögerungsmittel mit je einem.elektromechanischen Wandler an jedem Ende. Beispielsweise können diese Wandler piezoelektrisch oder

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magnetostriktiv sein. Ein Wandler schickt eine elastische Welle aus, die sich entlang dem Verzögerungsmedium fortpflanzt und dann durch den zweiten Wandler in elektromagnetische Form rückgewandelt wird.

Ein Hauptvorteil von akustischen Vorrichtungen für Signalverarbeitung besteht in ihrer Kleinheit. Dies ist leicht erklärlich, wenn man die Tatsache berücksichtigt, daß die Schallgeschwindigkeit in festen Stoffen 10 bis 10 mal langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn die Signale aus elektromagnetischen Wellen, die mit Lichtgeschwindigkeit wandern, in akustische Wellen derselben Frequenz umgewandelt werden, kann man dieselbe Verzögerungszeit erreichen, indem man eine entsprechend kürzere akustische Verzögerungsleitung benutzt als das koaxiale Kabel, das benötigt wird, um das Signal in seiner elektromagnetischen Form zu verzögern.

Seit der Entdeckung, daß gewisse Materialien sehr geringe Absorption von akustischer Energie bei hohen Frequenzen äußern, sind feste Ultraschallverzögerungsleitungen zurdynamischen Speicherung von sehr verschiedenartigen Signalen gebaut worden. Verschiedenerlei akustische Verzögerungsvorrichtungen sind in Konmiunikations-, Radar- und Computer sy steinen in ständigem Gebrauch*.

Akustische Vorrichtungen besitzen eine endliche nutzbare Bandbreite, die von den Wandlern, den Geräteabmessungen und dem Verlust im Verzögerungsmedium bestimmt werden. Außerdem gibt es eine Anzahl von Faktoren, die die Verlustgröße im Verzögerungsmedium

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selbst beeinflussen. Phonon-Phonon-Wechselwirkungen bedingen im allgemeinen hauptsächlich die Verluste. Im vorliegenden Zusammenhang sollen zwei Arten von Phononen betrachtet werden: thermische Phonone, die zwangsläufig in jedem festen Stoff vorhanden sind, und akustische Phonone niedriger Frequenz, die durch äußere Mittel in den Feststoff eingegeben werden. Bei Zimmertemperatur ist die Lebensdauer thermischer Phonone viel kürzer als die Periode der akustischen Welle, so daß die Verlustrate davon abhängt, wie schnell die Störung der thermischen Phononbesetzung sich entspannt, die durch die fortschreitende Welle erzeugt wird. Ein ähnlicher Mechanismus erklärt die thermische Leitfähigkeit. Diese beiden physikalischen Eigenschaften sind eng verwandt. Viele dielektrische Kristalle, die geringe thermische Leitfähigkeit und geringe Dämpfung besitzen, sind entdeckt worden. Gläser sind dafür bekannt, daß sie niedrigere Wärmeleitfähigkeit besitzen als Kristalle derselben Zusammensetzung. Tatsächlich gibt es in Gläsern viele Schwingungsarten, die thermische Phonone streuen und sie sich so rasch entspannen lassen. Man kann dann schlußfolgern, daß Gläser eine geringe Dämpfung bei Zimmertemperatur zeigen und ideale verlustarme Materialien sein würden. Dies ist jedoch nicht beobachtet worden. Während die schnelle Entspannung von Störungen in der thermischen Phononverteilung, die durch die akustische Welle hervorgerufen wird, tatsächlich für verlustarmes Material verlangt wird, scheint dies eine starke direkte Wechselwirkung zwischen akustischen Phononen und thermischen Phononen und damit eine große Dämpfung mit sich zu bringen.

Ein zusätzlicher Absorptionsverlust in aus polykristallinen Metal-

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len zusammengesetzten Verzögerungsmedien wird weitgehend durch die Korngröße und Schal!wellenlänge bestimmt. Es wurde gefunden , daß die Dämpfung für ebene Wellen in einem unendlichen polykristallinen Medium als Funktion der Frequenz durch die Gleichung ausgedrückt werden kann

= af + bf⁴

Hierin bedeutet &j die Dämpfung in dB/cm, f die Frequenz und a und b sind Konstanten. Der erste Ausdruck (af) drückt Hyste-

4 reseverluste aus und der zweite Ausdruck (bf ) steht mit der

r/
Konstruktur des Materials in Beziehung. Oberhalb einer Frequenz von wenigen Megahertz wird der zweite Ausdruck in den meisten Materialien bestimmend und begrenzt die Bandbreite.

.Ein ideales Verzögerungsmedium würde ein Material aufweisen, das infolge rascher Entspannung der thermischen Phononen und geringster Wechselwirkung zwischen akustischen und thermischen Phononen geringen Verlust sowie infolge von Strukturfaktoren, wie PolykristalXnität, geringste Absorptionsverluste aufweisen würde.

Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung sollen zwei Arten von akustischen Verzögerungsvorrichtungen unterschieden werden: 1. Verzögerungsleitungen aus Material mit breiten Seitenabmessungen, die bisweilen als Massenwellenvorrichtungen bezeichnet werden, und 2. Feldwellenvorrichtungen, deren Verzögerungsmedium in mindestens einer Seitendimension auf einen Bruchteil einer akustischen Wellenlänge begrenzt ist. Im ersteren Fall schreitet die elastische Welle im wesentlichen als ebene Welle fort und wird

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durch die seitlichen Begrenzungen nicht beeinträchtigt. Im zweiten Fall steht die Welle mit den Seitenflächen in starker Wechselwirkung und schreitet als geführte Wellenart fort. Führungswellenverzögerungsvorrichtungen sind ausführlich von J.E. May,Jr. in "Physical Acoustics", herausgegeben von W.P. Mason, Band IA, Seite 418 (1964) , veröffentlicht von Academic, beschrieben worden.

Die Vorrichtungen, die laufend für lange Verzögerungen bei hohen Frequenzen benutzt werden, umfassen Draht- und Streifenverzögerungsleitungen.

Drahtverzögerungsleitungen werden zur Speicherung von Informationen für solche Zwecke benutzt, wie als Auffrischer für alphanumerische Darstellungen mit Kathodenstrahlröhren und als Puffereinheit zwischen Band und Magnetkerneinheiten in Computern als Beispiele. Weil sie nicht stfuend ist, wird die Drehschwingung zur Schallfortpflanzung in diesen Geräten verwendet. In diesen Verzögerungsleitungen benutzte Heizfäden haben üblicherweise Q,025 bis 1,25 mm (1 bis 50 Mil) Durchmesser bei einem zu 1% gleichförmigen Querschnitt und Längen von etwa 3 bis 30 m (10 bis 100 Fuß). Die meisten der gegenwärtig verwendeten Drahtverzögerungsleitungen benutzen ferromagnetische Drähte, insbesondere Eisennickellegierungen, die so zugerichtet werden können, daß sie einen Temperaturkoeffizienten der Verzögerung von nahezu 0 liefern. Um Millisekunden Verzögerung zu erhalten, ist es notwendig, lange Drähte von mehreren Fuß zu benutzen, die zu flachen Spiralen aufgespult sind, um kompaktere Baukörper zu ergeben.

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Der Hauptnachteil bei der Benutzung des polykristallinen Drahtes besteht in seiner starken Dämpfung. Wie oben dargelegt, beruhen Verluste hauptsächlich auf Streuung an den Korngrenzen und steigen mit der vierten Potenz der Frequenz, wodurch die benutzba- · ren Frequenzen begrenzt werden. Auch erzeugen Mehrfachreflektionen der Streustrahlen ein NachlaufStörungezeichen am Ende des empfangenen Pulses, was das Verhältnis von Signal zu Geräusch begrenzt. Gegenwärtig haben Verzögerungsleitungen Verzögerungen von 1 bis 10 Millisekunden und arbeiten bis zu Frequenzen von nur 2 MHz infolge akustischer Verluste des Drahtes.

Streifenverzögerungsleitungen werden für ähnliche Verwendungs-

I.

zwecke wie Drahtverzögerungsleitungen benutzt. Sie werden gewöhnlich aus Metallstreifen von O,O5 mm Dicke,38 mm Breite und etwa 1,9 m Länge (20 Mil χ 1,5 Zoll χ 75 Zoll) gefertigt. Hierbei wird gewöhnlich Aluminium benutzt, aber es hat einen hohen Temperaturkoeffizienten. Akustische Verluste begrenzen den Frequenzbereich auf 5 bis 6 MHz bei einer Dämpfung von etwa 4 dB für eine Verzögerung von einer Millisekunde. In neuerer Zeit sind Stähle verwendet worden, jedoch besitzen sie noch die Schwierigkeiten der polykristallinen Struktur.

Bei sehr hohen Frequenzen und darüber werden Massenwellenverzögerungsleitungen benfczt. Zu den Mater!«ilen, die gegenwärtig bei diesen Verzögerungsleitungen verwendet werden, gehören Oxidkristalle, Glas mit Temperaturkoeffizient O und geschmolzener Quarz, da sie geringe Dämpfung besitzen und so geschnitten werden können, daß sich niedrige Teaqoeraturkoeffizienten der Geschwindigkeiten

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ergeben. Sie sind jedoch brüchig, besonders wenn sie zu dünnen Platten geschnitten werden, und die Oxidkristalle sind schwierig in genügend großen Stücken zu gewinnen. Für diesen Verwendungszweck werden feste Materialien mit großen Seitenabmessungen benötigt.

Es ist also ersichtlich, daß ein Bedarf für akustische Materialien besteht, die in langen Fäden oder in groben Abmessungen hergestellt werden können und geringe Dämpfung, niedrige Geschwindigkeit sowie mechanische Festigkeit und Biegsamkeit besitzen. Aufgabe der Erfindung ist die Erzeugung solcher Materialien zwecks Verwendung in akustischen Vorrichtungen, die insbesondere die oben erwähnten Eigenschaften besitzen, um in Draht- oder Streifenform in Verzögerungsleitungen verwendet werden zu können. Auch sollen sie in Massenform für Verzögerungsvorrichtungen benutzbar sein, die im Meterwellenbereich verwendet werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung nebst Beispielen.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Eigenschaften von glasigen Metallegierungen, nämlich ihre Ultraschalldämpfung, geringe Schallgeschwindigkeit, reproduzierbare akustische und mechanische Qualität, die Fähigkeit zur Verarbeitung zu langen Drähten, Streifen und Massen und ihre geringen Kosten, sich vereinigen, um diese Materialien einzigartig geeignet für die Benutzung in akustischen Vorrichtungen zu machen. Die geringe Dämpfung mag zum Teil auf der Tatsache beruhen, daß diese glasigen Metalle im Gegensatz zu den oben erörterten Gläsern rasche Entspannung von

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thermischen Phononen und geringste Wechselwirkung zwischen akustischen und thermischen Phononen äußern. Außerdem tritt infolge der Natur der amorphen Struktur keine Streuung an den Korngrenzen auf. Dfese Eigenschaften befähigen die amorphen Metallegierungen zur Benutzung in Velfzögerungsvorrichtungen, die bei höheren Frequenzen, über weitere Bandbreiten und mit längeren Verzögerungszeiten arbeiten als alle jetzt zur Verfügung stehenden Vorrichtungen,

Bei der Ermittlung der vorteilhaften Eigenschaften des Gegenstandes der Erfindung sind die Dämpfung und Schallgeschwindigkeit für verschiedenerlei amorphe Legierungen gemessen worden. Bei der Durchführung dieser Messungen wurden amorphe Metallstäbe von 10 mm Länge und Durchmessern von 1 bis 2,5 mm gefertigt und gründlich poliert. Dann wurden piezoelektrische Wandler an diese glasigen Metallstäbe angebunden und Messungen zwischen 50 und 500 MHz durchgeführt. Die Ergebnisse für die amorphe Legierung Pd-- _gAg_Si _g sind in der nachstehenden Tabelle mit den Ergebnissen von gegenwärtig für Verzögerungsleitungen in jedem besonderen Schwingungstyp zusammengefaßt. Die Geschwindigkeiten sind merklich niedriger als bei bekannten Materialien. Es ist auch zu bemerken, daß die Dämpfung ungefähr mit dem Quadrat der Frequenz bei den amorphen Materialien gegenüber f bei gegenwärtig benutzten polykristallinen Materialien ansteigt. Daher sind bei höheren Frequenzen die Vorteile der amorphen Metalle noch ausgeprägter.

Die dkm Rahmen der Erfindung verwendeten Massen umfassen jegliche Metalle, die in amorpher Form hergestellt werden können, insbesondere solche Verbindungen, die durch die allgemeine Formel

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^Ti^xj

wiedergegeben werden. Hierin ist T ein Übergangsmetall oder eine Mischung von übergangsmetall und X ein Element aus der Gruppe Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn bzw. Mischungen hiervon, wobei das Verhältnis in Atomprozentsätzen, wie durch i und j wiedergegeben, etwa 70 bis 87 bzw. etwa 13 bis 30 sind mit der Maßgabe, daß i + j = 100 ist. Die Übergangsmetalle sind solche der Gruppen IA, HIA, IVA, VA, VIA, VIIA und VIII des Periodensystems und hierzu gehören: Scandium, Yttrium, Actinium, Lanthan, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Technetium, Rhenium,Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold. Bevorzugt sind Pe, Ni, Co, Cr, V, Pd,. Pt und Ti, Diese Materialien sind weiter in der schwebenden USA-Patentanmeldung 318,146 mit dem Titel "Neue amorphe Metalle und amorphe Metallgegenstände" gekennzeichnet.

Besondere amorphe Legierungen mit den gewünschten Eigenschaften sind:

^Fe3O^Ni2O^Cr28^Pl4^B6^Al2 ^Fe35^Ni42^Pl4^B6^A13 ^Fe35^Ni45^P15^B5

^Fe4o^Ni4o^Pl4^B6

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^Fe44^Ni35^Pl3^B7^Cl ^Fe76^P15^C5^Sl^A13

^Fe76^P15^C4^Bl^Sil^A13

^Fe78^P15^C4^A13

^Ni2O^Cr58^Pl4^B5^Si3

^Ni4o^Pd4o^P2o ^Ni45^Cri5^C°₁₅ ^P16^B6^A13

^Ni47^Fe3o^Pl4^B6^Sil^A12

^Ni74^P16^B6^A14 ^Cr78^Pl4^B5^Si3 ^Pd77,5^A%^Si16,5

^Pd76^Cu5^Sil9 ^Pd8o^Si2o

Diese amorphen Legierungen besitzen außer ausgezeichneten akustischen Eigenschaften auch sehr erwünschte mechanische Eigenschaften.

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Tabelle

Material

Modus

häufigste Verwendung

Amorphes
Pd₇₇ 5^Si

5^Ag6

geschmolzener
Quarz

Amorphes

co polykristalli-
co nes Aluminium

Amorphes

longitudinal
longitudinal

Schwingung
Schwingung

Torsionsschwingung

Massenverzögerungsleitungen

Streifenverzögerungsleitungen

Drahtverzögerungsleitungen

Drahtverζ ögerungsleitungen

Geschwindigkeit (ΙΟ⁵ cm/sec)

Dämpfung

(dB/msec) bei 1 MHz

0,005 0,006

0,010 0,200

0,010 2,000

Höchste MHz-Frequenz für 1 msec Verzögerung und 10 dB Dämpfung

45 40

33 7

ro polykristalli- Torsionsne Eisen-Nickel- schwingung
Legierung
Beim Vergleich dieser Materialien ist zu bedenken, daß in polykristallinen Materialien

die Dämpfung gemäß f , bei amorphen Metallen gemäß f schwankt

33 2

Beispielsweise weisen verschiedenerlei ausgewählte Zusammensetzungen hohe Reißfestigkeit und hohe Elastizitätsgrenze sowie gute-n Korrosionswiderstand und einzigartige magnetische Eigenschaften auf. Einige sind so duktil, daß sie über einen kleineren Krümmungsradius als jhre Dicke gebogen und mit dner Schere geschnitten werden können. Auch bei diesen duktilen Mustern sind Zerreißfestigkeiten bis zu 24500 kg/cm (350000 psi) erreicht worden.

Ferner wurde gefunden, daß verschiedenerlei Metallegierungen der Formel Τ_±Χ. erwünschte Eigenschaften hoher Festigkeit und Härte, Duktilität und Korrosionsfestigkeit besitzen, selbst wenn sie teilweise kristallin, aber zu mehr als 50% amorph sind. Solche Materialien kommen hier auch in Betracht. Es versteht sich, daß bei Verzögerungsleitungen unter Verwendung dieser teilweise kristallinen Metalle die akustischen Vorzüge, welche die amorphe Struktur der Leitung erteilt, bei Abnahme des kristallinen Gehaltes ansteigt.

Die amorphen Metalldrähte können unter Anwendung Irgendeiner geeigneten Technik gefertigt werden, die den Metallstrahl genügend schnell abkühlt, um Kristallisation oder Strahlzerreißung zu vermeiden. Die einfachste Methode besteht darin, daß man den geschmolzenen Metallstrom in eine entsprechend gewählte Flüssigkeit, wie Wasser oder eisgekühlte Sole einspritzt. Eine vorteilhafte Methode ist in der schwebenden Patentanmeldung von S. Kavesh, Serial-No. 306,472 vom 14. November 1972 beschrieben, wonach der geschmolzene Strahl in einem im Gleidstrom fliessenden Flüssigkeitsstrom abgeschreckt wird. Beliebige andere Verfahren, die geeignete Abschreckbedingungen liefern,können angewandt werden, wie das von

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R. D, Senile in den USA-Patentschriften 3 461 943 und 3 543 831 beschriebenen Verfahren, bei denen die Abkühlung des Schmelzstrahles durch Koronaentladung, Gasstrahlen und/oder Ablagerung einer kälteren Substanz auf dem Strom angewandt wird,

Beispiele zur Erläuterung der Maßnahmen, die zur Herstellung amorpher Metallstreifen verwendet werden können, sind Doppeldrehwalzen, beschrieben von H.S. Chen und C.E. Miller, Rev. Sei. Instrum, 41, 1237 (1970) und die Drehzylindermethode, beschrieben von R. Pond, Jr. und R. Maddin, Trans. Met. Soc. AIME, 245, 2475 (1969).

Massemuster können gefertigt werden, indem man ein geschmolzenes Kieselsäurerohr zieht, um ihm einen geeigneten Innendurchmesser, und zwar Üblicherwelse von 2,5 mm (100 mil) und dünner Wandung zu erteilen, um raschen übergang von Wärme zu gestatten. Dann wird die Legierung in dem Rohr geschmolzen und rasch in eine eutektische wässrige Natriumchloridlösung bei -20⁰C eingetaucht, um die Legierung im glasigen Zustand abzuschrecken.

Bei der Auswahl einer amorphen Legierung soll beachtet werden, daß die spezifischen Eigenschaften des in diesen akustischen Vorrichtungen benutzten Materials je nach dem Verwendungszweck der Verzögerungsleitung verschieden sind. Es ist daher vorteilhaft, daß diese glasigen Metallegierungen über einen weiten Bereich von

Bestandteilen und Zusammensetzungen erhalten werden können. Die besondren Eigenschaften können gleichsam zugeschnitten werden, um einem gegebenen Verwendungszweck zu entsprechen. Wesentliche Eigenschaften für die Aufgabe der Erfindung sind geringerakustischer

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Verlust, niedriger Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit und gute mechanische Eigenschaften. Außerdem sind bei magnetostriktiven Verzögerungsleitungen magnetische Eigenschaften wichtig.

Allgemein betrifft die Erfindung die Verwendung amorpher Metalllegierungen in akustischen Vorrichtungen, deren Leistungsfähigkeit von einer geringen Schallgeschwindigkeit und geringen akustischen Dämpfung abhängen. Hierzu gehören Draht- und Streifenverzögerungsleitungen mit Mittelfrequenzen unter 100 MHz und Masseverzögerungsleitungen, die im Meterwellenbereich arbeiten.

Drahtverzögerungsleitungen wurden aus Drähten gefertigt, deren Durchmesser im Bereich von etwa 0,025 bis 0,5 mm (1 bis 20 Mil), vorzugsweise von 0,1 bis 0,2 mm (4 bis 8 Mil) liegt. Die Wahl der Legierungen würde von den Erfordernissen der jeweiligen Leitung abhängen. Für allgemeine Verwndung würden Legierungen Pd₇₈Ni₄Si₁₈, Ni₄₇Fe₃₀P₁₄B₆Si₁Al₂ oder Fe₃₀Ni₂₀Cr₂₈P₁₄B₆Al₂ zufriedenstellend sein. Sie könnten in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Weisen zwecks Bildung von Fäden hergestellt werden. Diese Drahtverzögerungsleitungen würden allgemein in einer Drehschwingung arbeiten, geringe Dämpfung zeigen und in der Lage sein, Verzögerungen bis zu 10 msec bei 10 MHz zu erzeugen,wobei sich kürzere Verzögerungen bei höheren Frequenzen ergeb-en.

Die Streifenverzögerungsleitungen nach der Erfindung können aus amorphen Metallstreifen in einem breiten Bereich vonfctwa 13 bis 50 mm (1/2 bis 2 Zoll) bei einer Dicke von etwa 0,025 bis 0,50 mm ίΓ bis 20 Mil) hergestellt werden; sie arbeiten allgemein mit ei-

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ner Scherschwingung, Die jeweils gewählte genaue Zusammensetzung hängt von der Verwendung ab, jedoch sind im allgemeinen amorphe Legierungen von Pd₇₇ 5Ag₆Si_{16 5}, ^Nii8^Cr58^Pl4^B6^Si4 ^{oder Fe}7fi^P15 C₅Al₃Si₁ zufriedenstellend und lassen sich leicht nach bekannten Methoden herstellen. Die Verwendung dieser Metallstreifen in Längen von etwa 12 m (etwa 40 Fuß) in dem Körper einer Verzögerungsleitung ergibt niedrige Dämpfung und Verzögerungen bis zu 10 msec bei 10 MHz, wobei kürzere Verzögerungen bei höheren Frequenzen auftreten.

Außerdem können Massenverzögerungsleitungen aus Stäben der amorphen Metalle mit hochpolierten Enden von etwa 1,25 bis 3,50 mm (50 bis 150 Mil)Durchmesser undetwa 13 bis 125 mm (1/2 bis 5 Zoll) Länge hergestellt werden. Diese Stäbe liefern geringe Dämpfung und Verzögerungen, bis zu 100 msec bei Frequenzen von 100 MHz. Der Körper dieser Massenleitungen kann aus verschiedenerlei amorphen Metallegierungen zusammengesetzt sein, die in der erforderlichen Größe hergestellt ^werden. Zu dieser Gruppe von Metallegierungen gehören beispielsweise Pd₇₆Cu₅Si und Pd₇₈Ni₄Si₁₈.

Es ist auch zu beachten, daß bei Vergleich der Dämpfung dieser amorphen Metalle mit gegenwärtig benutzten polykristallinen Me-

tallen die Dämpfung der amorphen Legierungen mit f schwankt, wäh-

rend diejenige der polykristallinen Legierungen mit f schwankt, weshalb für Hochfrequenzverwendungszwecke ein sehr erheblicher Unterschied in der Dämpfung vorhanden ist.

In Verbindung mit diesen Formen von Verzögerungsmedien können ver-

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schiedenerlei Mittel zur Einführung einer elastischen Welle in die Medien angewandt werden. Vorzugsweise sollen diese piezoelektrische oder magnetostrictive Wandler sein.

Durch die nachstehenden Ausführungsbeispiele wird die Erfindung noch näher beschrieben, sie dienen jedoch nicht zur Beschränkung der Erfindung.

Beispiel 1

Ein glasiger Pd.,- 5^A9fi^S:*"16 5~^Draftt wurde unter Benutzung der Technik nach der oben erwähnten schwebenden Patentanmeldung Serial-No. 306,472 gefertigt. Die Legierung wurde in einer Argonatmosphäre bei 87O°C geschmolzen und durch eine öffnung von 0,30 mm (12 Mil) verpreßt. Der Schmelzstrahl wurde in einer gekühlten Salzlösung von -20 C abgeschreckt. Die Geschwindigkeit der Salzlösung in dem Standrohr betrug 195 cm/sec. Man erhielt einen fortlaufenden glatten amorphen Draht von rundem Querschnitt bei einem Durchmesser von etwa 0,25 mm (10 Mil). Die amorphe Natur des er zeugten Drahtes wurde durch Röntgenstrahlenbrechung bestätigt.

2 Der Draht hatte eine Elastizitätsgrenze von etwa 11200 kg/cm

ο (160000 psi) und eine Reißfestigkeit von etwa 16100 kg/cm (etwa 230000 psi), was etwa 1/50 des Young-Moduls für dieses Glas ist. Dieser Wert liegt nahe bei der theoretischen Festigkeit dieses Materials.

Der erzeugte amorphe Draht wurde auf eine Länge von etwa 15 m (50 Fuß) geschnitten. Piezoelektrische Drehschwingungswandler wurden an beiden Enden befestigt. Der Draht wurde zu einer Spirale von etwa 13 cm (5 Zoll) Durchmesser aufgespult und auf einem Brett

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befestigt, wobei dafür gesorgt wurde,daß die Träger das Signal nicht dämpften. Der ganze Aufbau wurde in ein Gehäuse eingeschlossen, mit trockenem Stickstoff ausgespült undzur Ausschaltung von Umgebungsänderungen abgedichtet. Die Verzögerungsleitung lieferte eine Verzögerung von ungefähr 10 msec bei 10 MHz mit einem Gesamtverlust von etwa 20 dB. Zum Vergleich ergeben die zur Zeit benutzten NiFe-Legierungen in Verzögerungsleitungen Verzögerungen von 10 msec bei Frequenzen von nur 2 MHz.

Beispiel 2

Unter Anwendung des Verfahrens des Beispiels 1 wurde ein amorpher Draht aus Fe-gP.eC^Al- hergestellt. Aus diesem Draht wurde eine magnetostriktive Verzögerungsleitung gefertigt. Eine Wandlerspuie wurde um einen Abschnitt des Drahtes nahe dem einen Ende gewickelt, und das Polarisationsfeld wurde durch einen Permanentmagneten aufgebracht. Der Wandler kann längs des Drahtes beweglich gemacht werden, um die Verzögerung einzustellen. Ein anderer Wandler wurde nahe dem anderen Ende des Drahtes angebracht, um das verzögerte Signal abzutasten. Der Draht wurde fest auf einem Brett montiert, der Aufbau in ein Gehäuse eingeschlossen, mit trocknem Stickstoff ausgespült und abgedichtet. Diese Verzögerungsleitung lieferte Ergebnisse, die mit denen des amorphen Metalleitungselementes des Beispiels 1 vergleichbar sind.

Beispiel 3

Unter Anwendung des Verfahrens des Beispiels 1 wurden amorphe

Drähte aus den folgenden Legierungen hergestellt:

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^Fe3o^Ni2o^Cr28^Pl4^B6^A12

^Fe76^P15^C4^Bl^Sil^Al3 ^Ni4o^Pd4o^P2o

^N147^Fe3o^Pl4^B6^Sil^A12 Pd₇₆Cu₅Si₁₉

^Pd77,5^A9₆ ^Si16,5 Pd₇₈Ni₄Si₁₈

^Pd8o^Si2o

Messungen der Drehschwingung dieser Drähte ergaben Geschwindigkeiten von weniger als 2,5 χ IO cm/sec und Dämpfungen vor\ weniger als 0,05 dB/msec bei 1 MHz; gewöhnlich werden beträchtlich darunterliegende Werte von polykristallinem FeNi in Verzögerungsdrahtleitungen mit einer Geschwindigkeit von 3,0 χ 10 cm/sec und einer Dämpfung von 2 dB/msec bei 1 MHz-benutzt. Die Höchstfrequenz für 1 msec Verzögerung und 10 dB Dämpfung war bei jeder dieser
amorphen Verbindungen größer als 25 MHz gegenüber 2 MHz bei FeNi, was klar beweist, daß Verzögerungsleitungen unter Benutzung amorpher Massen denjenigen aus zur Zeit benutzten Massen mit polykristalliner Struktur überlegen sind.

Beispiel 4

Die Legierung Fe₃₅Ni₄₃P JB₆Al₃ wurde in ein geschmolzenes Kieselsäurerohr mit einem Loch von 0,30 mm (0,012 Zoll) Durchmesser im Boden eingebracht und bei HOO⁰C geschmolzen. Die geschmolzene Legierung wurde auf den Spalt der rotierenden auf Zimmertemperatur gehaltenen Doppelwalzen gerichtet, die von Chen und Miller in

Rev. Sei. Instrum. 41, 1237 (1970) beschrieben sind. Die Walzen

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wurden mit 1500 U/min gedreht. Das abgeschreckte Metall war völ-

amorph

lig/f wie Röntgenstrahlenbeugungsmessungen ergaben, es war genügend duktil zum Biegen und zeigte Reißfestigkeiten bis etwa 24600 kg/cm (350000 psi). Es wurde eine Streifenverzögerungsleitung von etwa 4,6 m (15 Fuß) Länge geformt, und dieser amorphe Streifen auf eine quadratische Platte von etwa 60 cm (24 Zoll) aufgespult. An die Enden wurdön piezoelektrische keramische Wandler gebunden, um die Seherschwingung zu erregen. Bei Benutzung dieser Verzögerungsleitung wurde eine Verzögerung von 4,2 msec bei 8 MHz erreichtr Eine vergleichbare Verzögerungszeit würde einen Aluminiumstreifen von ungefähr der doppelten Länge erfordern, und dieser würde bei einer Höchstfrequenz von nur 2 MHz arbeiten.

Beispiel 5

Unter Befolgung des Verfahrens des Beispiels 4 wurden geeignete amorphe Streifen für die Formung von Streifenverzögerungsleitungen aus den folgenden Legierungen hergestellt.

^Fe3o^Ni2o^Cr28^Pl4^B6^A12

^Fe35^Ni ₄2^Pl4^B6^A13

^Fe76^P15^C5^A13^Sil

^Fe78^Pl5^C4^Al3

^Ni48^Fe3o^Pl4^B6^Al2

^Ni74^P16^B6^A14

^Nil8^Cr58^Pl4^B6^Si4 Cr₇₈P₁₄B₅Si₃

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^Pd77,5^A*6^S116_f5

^Pd78^Ni4^Sil8

^Pd8o^Si2o

Akustische Messungen der Seherschwingung wurden durchgeführt, und alle diese amorphen Streifen zeigten Geschwindigkeiten von weniger als 2,5 χ 10 cm/sec bei geringerer Dämpfung als 0,05 dB/msec bei 1 MHz und konnten bei größerer als 25 MHz Maximalfrequenz mit 1 msec Verzögerung und IO dB Dämpfung arbeiten. Diese Verbindungen sind deshalb den in Verzögerungsleitungen laufend benutzten polykristallinen Aluminiumstreifen überlegen, die eine Geschwindigkeit von 3,1 χ 10 cm/sec, eine Dämpfung von 0,2 dB/msec und eine Maximalfrequenz von 7 MHz bei 1 msec Verzögerung und 10 dB Dämpfung haben.

Beispiel 6

Ein Massestab aus amorphem PiS₇₇ 5^Agß^Si16 5 ^{und etwa 13} Zoll) Länge und 3,2 mm (1/8 Zoll) Durchmesser wurde durch Schmelzen der kristallinen Legierung der selben Zusammensetzung bei oberhalb 87O°C in einem geschmolzenen Kl*selsäureröhr von ungefähr 0,25 mm (100 Mil) Durchmesser hergestellt. Dann wurde das Rohr mit der geschmolzenen Legierung rasch in eine eutektische wässrige Natriumchloridlösung von -20°C zur Abschreckung eingetaucht. Nach Entfernung des Kieselsäurerohres ergab Röntgenstrahlenanalyse, daß der Massestab vollständig amorph war. Der Stab wurde dann als Körper in einer Massenverzögerungsleitung verwendet. Dabei war es möglich, Verzögerungen bis zu 100 msec bei 100 MHz zu erreichen.

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Claims

Patentansprüche

1. Akustische Vorrichtung zur Einführung einer elastischen Schallwelle, gekennzeichnet durch einen Metallkörper, der zu mindestens 50% aus amorpher Metallegierung besteht,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Metallegierung der allgemeinen Formel T.X. entsprich^, worin T aus einem Übergangsmetall oder einer Mischung von übergangsmetallen und X aus elementarem Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicon und/oder Zinn besteht und der durch i und j wiedergegebene prozentuale Atomanteil etwa 70.bis etwa 87 bzw, etwa 13 bis etwa 30 entspricht mit der Maßgabe, daß i plus j = lOOist,

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Element T aus Pd, Fe oder Ni besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Eleätent X aus Si oder P besteht«

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß T aus einer Kombination von Pd.und Ag, Ni oder Cu besteht,

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß X aus Si besteht,

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7« Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
amorphe Legierung aus PaI₇₇ 5^A96^Sii6 5 ^be^stent·

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Element T aus einer Kombination von Fe und Ni besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8_f dadurch gekennzeichnet, daß
die amorphe Legierung aus Fe₃₅Ni₄₂P₁₄BgAl₃ besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper Drahtform hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper Streifenform hat.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper Masseform hat.

13. Vorrichtung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einführung der Schallwelle ein Wandler benutzt wird.

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